DE1080351B

DE1080351B - Hot gas piston machine, in which the piston and the displacer are coaxial to one another and perform a stroke movement out of phase with one another

Info

Publication number: DE1080351B
Application number: DEN9679A
Authority: DE
Inventors: Roelof Jan Meyer
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1953-11-06
Filing date: 1954-11-03
Publication date: 1960-04-21

Description

Heißgaskolbenmaschine, bei welcher Kolben und Verdränger gleichachsig zueinander liegen und eine zueinander phasenverschobene Hubbewegung ausführen Die Erfindung bezieht sich auf eine Heißgaskolbenmaschine, bei welcher Kolben und Verdränger gleichachsig zueinander liegen und eine zueinander phasenverschobene Hubbewegung ausführen.Hot gas piston machine in which piston and displacer are coaxial lie to each other and execute a stroke movement out of phase with each other The invention relates to a hot gas piston machine, in which piston and displacer are coaxially to each other and a mutually phase-shifted stroke movement carry out.

Bei einer bekannten Kolbenmaschine sind die Kolben durch je zwei symmetrisch beiderseits der Zylinderachse liegende Triebstangen mit zwei zueinander synchron und gleichphasig umlaufenden Kurbeln verbunden, welche zu zueinander entgegengesetzt umlaufenden, in einer rechtwinklig zur Zylinderachse verlaufenden Ebene angeordneten Kurbelwellen gehören. Die Triebstangen sind hierbei mit den Kurbelwellen in der Weise gekuppelt, daß die mit dem einen Kolben verbundenen Triebstangen sich auf der einen Seite einer durch die Kurbelmittellinien zu legenden Ebene befinden, während die mit dem anderen Kolben verbundenen Triebstangen auf der anderen Seite dieser Ebene liegen. Die zwei Kurbeln schließen bei dieser bekannten Maschine einen Winkel von 180' miteinander ein. Bei dem sich in dieser bekannten Maschine abspielenden Arbeitsprozeß wird nämlich angestrebt, die Kolben sich soweit wie möglich symmetrisch zueinander bewegen zu lassen. Weiter sind bei dieser bekannten Maschine die Angriffspunkte der Triebstangen an den beiden Kolbenkörpern, bezogen auf die Zylinderachse, seitlich gegenüber der Mittellinie der zugehörigen Kurbelwelle verschoben. Wegen dieser Verschiebung, welche im weiteren einfachheitshalber mit »Exzentrizität« bezeichnet wird, kann eine vollkommene Symmetrie der Bewegungen der Kolben je- doch nicht erreicht werden. Die erwähnte Exzentrizität ist somit für die Wirkung dieser bekannten Maschine ein grundsätzlicher Nachteil.In a prior art piston engine, the pistons are connected by j e two symmetrically on both sides of the cylinder axis lying rods with two mutually synchronously and in phase rotating cranks, which at mutually counter-rotating, arranged in a direction perpendicular to the cylinder axis crankshafts belong. The drive rods are coupled to the crankshafts in such a way that the drive rods connected to one piston are on one side of a plane to be laid through the crank center lines, while the drive rods connected to the other piston are on the other side of this plane. In this known machine, the two cranks form an angle of 180 ' with one another. In the work process taking place in this known machine, the aim is to have the pistons move symmetrically to one another as far as possible. Furthermore, in this known machine, the points of application of the drive rods on the two piston bodies, based on the cylinder axis, are shifted laterally relative to the center line of the associated crankshaft. Because of this shift, which will be referred to as "eccentricity" for the sake of simplicity, perfect symmetry of the movements of the pistons can not be achieved. The eccentricity mentioned is therefore a fundamental disadvantage for the effect of this known machine.

Die Heißgaskolbenmaschine der eingangs erörterten Art ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß Kolben und Verdränger in an sich bekannter Weise mit einer Kurbel jeder von zwei parallelen, mit gleicher Winkelgeschwindigkeit in entgegengesetzter Umlaufrichtung umlaufenden, svmmetrisch zur Zvlinderachse liegenden Kurbelwellen über Triebstangen verbunden sind, deren Angriffspunkte an dem Kolben und dem Verdränger, bezogen auf die Zylinderachse, seitlich gegenüber der Mittellinie der zugehörigen Kurbelwelle verschoben sind, und daß je eine Triebstange des Kolbens und des Verdrängers an dem gleichen Kurbelzapfen jederKurbelwelle angreift,wobei der eineTriebstangensatz sich auf der einen Seite einer durch die Kurbelzapfen zu legenden Ebene und der andereTriebstangensatz sich auf der anderen Seite dieser Ebene befindet.The hot gas piston machine of the type discussed at the beginning is characterized according to the invention that the piston and displacer are connected in a manner known per se with a crank of each of two parallel crankshafts rotating at the same angular speed in the opposite direction of rotation, symmetrically to the cylinder axis, via drive rods whose points of application are on the Piston and the displacer, relative to the cylinder axis, are shifted laterally relative to the center line of the associated crankshaft, and that one drive rod each of the piston and the displacer engages the same crank pin of each crankshaft, with one drive rod set on one side through the crank pin level and the other set of drive rods is on the other side of that level.

Die bei der Heißgaskolbennlaschine nach der Erfindung vorhandene Exzentrizität und der Angriff jedes Satzes entgegengerichteter Verdränger- und Kolbentriebstangen am gleichen Kurbelzapfen führen zu einer Bauart, welche die für den Heißgaskolbenmaschinenprozeß erforderliche Nacheilung der beiden Kolbenkörper aufweist. Selbstverständlich kann z. B. aus konstruktiven Gründen der Angriff der Triebstangen am Kurbelzapfgn"riind/oder am Kolben bzw. Verdränger direkt oder in-direkt stattfinden. Bei der erfindungsgemäßen Maschine ist die Ausbalancierung einfach zu lösen.The eccentricity present in the hot gas piston machine according to the invention and the attack of any set of opposing displacer and piston rods on the same crank pin lead to a type that is used for the hot gas piston machine process has required lag of the two piston bodies. Of course you can z. B. for structural reasons, the attack of the drive rods on the crank pin "riind / or take place directly or indirectly on the piston or displacer. In the inventive Machine, the balancing is easy to solve.

Unter einer Heißzaskol#enmaschine wird ein Heißgaskolbenmotor, eine Kaltgaskühlmaschine oder eine Wärmepumpe verstanden,'.'von denen die zwei letzteren nach dein sogenannten umgekehrten Heißgasmotorprinzip arbeiten.A hot gas piston engine, a Cold gas refrigerator or a heat pump understood, '.' Of which the latter two work according to the so-called reverse hot gas engine principle.

Das Ausbalancieren derb sich hin- und lierbewegenden Teile der Maschine -wird noch verbess . ert, wenn gemäß einer -weiteren Ausführungsform der Erfindung die Kolbentriebstangen ein e nahezu gleiche Länge wie die,Verdrängertriebstangen haben und die Massen der Kolbentriebstangen mit d#n damit gekuppelten, sich hin- und herbewegenden Teilen nahezu gleich groß sind wie die Massen der Verdrängertriebstangen mit den damit verbundenen, sich-:»hin- und herbewegenden-Teilen. Die Harmonischer höherer Ordnung werden nahezu vollständig bei dieser Ausführungsform des Triebwerks ausz ,geglichen, -während die Schwingungen erster Ordnung durch das Vorhandensein der Gegengewichte ausgeglichen werden.The balancing of rough moving parts of the machine will be improved . ert, if, according to a further embodiment of the invention, the piston rods have an e almost the same length as the displacement rods and the masses of the piston rods with the reciprocating parts coupled therewith are almost the same size as the masses of the displacement rods with the associated, -: »moving-to-and-fro parts. The higher-order harmonics are almost completely balanced in this embodiment of the engine, while the first-order vibrations are balanced out by the presence of the counterweights.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Kolbentriebstangen auf der Kolbenseite-initeinander und mit einer fest mit dem Kolben verbundenen Kolbenstange drehbar gekuppelt- Grundsätzlich kann ein sogenannter Trunkkolben verwendet werden. mit dem die Triebstangen ohne Anwendung einer Kolbenstange verbunden sind. Die Verbindung des Kolbens mit den Kolbentriebstangen ist dann je- doch baulich weniger einfach. Bei Anwendung einer fest mit dem Kolben verbundenen Kolbenstange wird die Kupplung der Triebstangen mit der Kolbenstange bedeutend einfacher. Außerdem kann man dabei einen verschlossenen Raum unterhalb des Kolbens vorsehen, so daß der Kurbelkasten keinem Druck unterliegt.According to a further embodiment of the invention, the piston drive rods are rotatably coupled to one another on the piston side and to a piston rod fixedly connected to the piston. In principle, a so-called trunk piston can be used. with which the drive rods are connected without the use of a piston rod. The connection of the piston to the piston drive rods is then, however, structurally less simple. When using a piston rod firmly connected to the piston, the coupling of the drive rods with the piston rod is significantly easier. In addition, a closed space can be provided below the piston so that the crankcase is not subjected to any pressure.

Es ist ersichtlich, daß bei der Maschine nach der Erfindung ein unveränderlicher, durch die verschiedenen Abmessungen des Triebwerks bedingter Phasenunterschied zwischen der Bewegung des Verdrängers und der des Kolbens vorhanden ist. Soll dieser Phasenunterschied, z. B. für Regelungszwecke, geändert werden, so kann es von Vorteil sein, die von den Kurbeln abgewendeten Enden der Verdrängertriebstangen derart mit der Verdrängerstange zu verbinden, daß der Abstand zwischen den Enden an der Verdrängerstange einstellbar ist, wobei jedoch die beiden Verdrängertriebstangen zu der Verdrängerstange symmetrisch bleiben.It can be seen that in the machine according to the invention an invariable, phase difference between the movement of the displacer and that of the piston is present. Should this phase difference, z. B. for regulatory purposes, it may be advantageous to use the ends of the displacer drive rods facing away from the cranks in this way with the displacer rod to connect that the distance between the ends on the displacer rod is adjustable is, however, the two displacer drive rods to the displacer rod symmetrical stay.

Die synchrone, gleichphasige Drehung der Kurbelwellen in entgegengesetzten Richtungen kann auf verschiedene Weise bewerkstelligt werden. Die einfachste Weise ist wohl die, bei welcher gemäß einer weiteren Ausführungsform, der Erfindung die Kurbelwellen durch Zahnräder miteinander gekuppelt sind.The synchronous, in-phase rotation of the crankshafts in opposite directions Directions can be accomplished in a number of ways. The easiest way is probably the one in which, according to a further embodiment, the invention Crankshafts are coupled to one another by gears.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die mechanische Energie durch die beiden Kurbelwellen der Maschine zugeführt oder von der Maschine abgeführt.According to one embodiment of the invention, the mechanical energy fed to or removed from the machine through the two crankshafts.

Die Erfindung wird an Hand einer Zeichnung näher erläutert, die ein Ausführungsbeispiel darstellt und in der Fig. 1 einen Schnitt durch einen Heißgaskolbenmotor des Verdrängertyps zeigt, die Fig. 2 a, b, c und d schematisch die gegenseitige Lage des Kolbens und des Verdrängers mit dem Triebwerk für vier verschiedene Kurbellagen darstellen.The invention is explained in more detail with reference to a drawing which shows an embodiment and in FIG. 1 shows a section through a hot gas piston engine of the displacement type, FIGS. 2 a, b, c and d schematically show the mutual position of the piston and the displacer represent the engine for four different crank positions.

In einem Zylinder 1 eines Heißgaskolbenmotors sind ein Verdränger 2 und ein Kolben 3 beweglich. Das obere Ende des Zylinders wird durch einen Zylinderkopf 4 gebildet, der auf der Innenseite Rippen 5 und auf der Außenseite Rippen 6 auf weist. Ein Futter 7 'bildet die Trennwand zwischen den Rippen 5 und einem Regenerator 8 einerseits und dem Innern des Zylinders andererseits. Weiter weist der Zylinder Löcher 9 auf, die mit einem Raum in Verbindung stehen, in dem Rippen 10 vorgesehen sind, die an einem Körper 11 befestigt sind, der auf der Außenseite Rippen 12 aufweist; diese Rippen bilden das Kühlsystem. Der Zylinderkopf wird von einem Körper 13 umgeben, in dem ein schematisch dargestellter Brenner 14 vorgesehen ist. DieVerbrennungsgase streichen längs der Rippen 6 und verlassen den Körper 13, nachdem sie ihre Wärme abgetreten haben, durch den Abfuhrkanal 15. Der Zy- linderkopf 4 wird durch Bolzen 16 am Körper 11 befestigt, der durch Bolzen 17 mit einem Kurbelkasten 18 verbunden ist. Diese Bolzen verbinden außerdem den Zvlinder 1 fest mit dem Kurbelkasten 18. A displacer 2 and a piston 3 are movable in a cylinder 1 of a hot gas piston engine. The upper end of the cylinder is formed by a cylinder head 4, which has ribs 5 on the inside and ribs 6 on the outside. A lining 7 'forms the partition between the ribs 5 and a regenerator 8 on the one hand and the interior of the cylinder on the other hand. Further, the cylinder has holes 9 communicating with a space in which ribs 10 are provided which are fixed to a body 11 having ribs 12 on the outside; these ribs form the cooling system. The cylinder head is surrounded by a body 13 in which a schematically illustrated burner 14 is provided. The combustion gases sweep along the ribs 6 and , after they have given off their heat, leave the body 13 through the discharge duct 15. The cylinder head 4 is fastened by bolts 16 to the body 11 , which is connected by bolts 17 to a crankcase 18 . These bolts also firmly connect the cylinder 1 to the crankcase 18.

Der Kolben 3 ist mit einer hohlen Kolbenstange 19 versehen. Um einen Zapfen 20, der fest an der Kolbenstange 19 befestigt ist, können sich zwei Köpfe 21 zweier Triebstangen 22 drehen, während eine fest am Verdränger 2 befestigte Verdrängerstange 23 durch die Kolbenstange 19 und den Zapfen 20 hindurchgeführt ist. Die Triebstangen 22 haben weiter zwei Köpfe 24, die um Kurbelzapfen 25 drehbar sind. Zwischen den Köpfen 24 und den Kurbelzapfen 25 sind Kugellager vorgesehen. Die Köpfe 24 besitzen Ansätze 26, die Zapfen 27 tragen, um die sich zwei Verdrängertriebstangenköpfe 28 drehen können. Auf der anderen Seite der Verdrängertriebstangen 29 befinden sich Köpfe 30, die beide um einen Zapfen 31 drehbar sind, der fest an der Verdrängerstange 23 befestigt ist. Die Kurbelzapfen 25 sind exzentrisch auf Wellen 32 angebracht, die durch Zahnräder 33 miteinander verbunden sind und auf denen mittels Schrauben 34 Gegengewichte 35 angebracht sind. Der Kurbelkasten 18 wird durch einen Deckel 36 verschlossen, so daß der ganze Kurbelkasten gegebenenfalls mit öl gefüllt werden kann, Die Massen der Kolbentriebstangen 22, der Kolbenstange 19 und des Kolbens 3 sind annähernd gleich den Massen der Verdrängertriebstangen 29, der Verdrängerstange 23 und des Verdrängers 2, und die Länge jeder Kolbentriebstange 22 ist etwa gleich der der Verdrängertriebstange 29. The piston 3 is provided with a hollow piston rod 19 . Two heads 21 of two drive rods 22 can rotate around a pin 20, which is fixedly attached to the piston rod 19 , while a displacement rod 23 fixed to the displacer 2 is passed through the piston rod 19 and the pin 20. The drive rods 22 also have two heads 24 which can be rotated about crank pins 25. Ball bearings are provided between the heads 24 and the crank pins 25. The heads 24 have lugs 26 which carry pins 27 around which two displacer rod heads 28 can rotate. On the other side of the displacement drive rods 29 are heads 30, both of which can be rotated about a pin 31 which is firmly attached to the displacement rod 23. The crank pins 25 are mounted eccentrically on shafts 32 which are connected to one another by gears 33 and on which counterweights 35 are mounted by means of screws 34. The crankcase 18 is closed by a cover 36 so that the entire crankcase can be filled with oil if necessary. The masses of the piston rods 22, the piston rod 19 and the piston 3 are approximately equal to the masses of the displacer rods 29, the displacer rod 23 and the displacer 2, and the length of each piston drive rod 22 is approximately equal to that of the displacer drive rod 29.

Es ist ersichtlich, daß der Phasenunterschied zwischen der Verdrängerbewegung und der Kolbenbewegung durch den Winkel zwischen der Kolbentriebstange 22 und der Verdrängertriebstange 29 bedingt wird. Wenn die Verdrängertriebstangenköpfe30 sich nicht um den Zapfen 31 drehen und dieser Zapfen z. B. durch ein zur Verdrängerstange 23 senkrechtes Organ ersetzt wird, an dem verschiebbare Zapfen angebracht sind, um welche die Verdrängertriebstangenköpfe sich drehen können, und wenn der.A:Dstand jedes Zapfens bis zur Mittellinie der Maschine stets derselbe ist, so kann eine Änderung des erwähnten Phasenunterschieds erhalten werden, was weiter unten näher erläutert wird.It can be seen that the phase difference between the displacement movement and the piston movement is caused by the angle between the piston drive rod 22 and the displacement drive rod 29 . If the displacer rod heads 30 do not rotate about the pin 31 and this pin z. B. is replaced by an organ perpendicular to the displacer rod 23 , on which displaceable pins are attached, around which the Verdrängertriebstangenköpfe can rotate, and if der.A: Dstand of each pin is always the same up to the center line of the machine, a change in the mentioned phase difference can be obtained, which will be explained in more detail below.

Die Fig. 2 a, b, c und d zeigen schematisch die verschiedenen Lagen des Kolbens und des Verdrängers zueinander für vier verschiedene Kurbellagen.DerVerdränger2 mit der Verdrängerstange23 sind mit gestrichelten Linien angegeben; der Kolben 3 mit vollen Linien. Die Kolbentriebstangen22 haben gleiche Länge wie die Verdrängertriebstangen29 und sind in den Figuren unmittelbar mit dem Kolben verbunden. In Fig. 2 a steht der Kolben in seiner höchsten Lage; Fi-. 2b zeigt die Lage, in der der Kolben und der Verdran.,er sich am nächsten liegen, wobei also der kleinste kalte Raum vorhanden ist; in Fig. 2 c steht der Verdränger in seiner höchsten Lage und in Fig. 2d ist der Abstand zwischen dem Verdränger und dem Kolben maximal, wobei also auch der kalte Raum maximal groß ist.2a, b, c and d show schematically the different positions of the piston and the displacer relative to one another for four different crank positions. The displacer 2 with the displacer rod 23 are indicated with dashed lines; the piston 3 in full lines. The piston drive rods 22 have the same length as the displacement drive rods 29 and are directly connected to the piston in the figures. In Fig. 2a the piston is in its highest position; Fi-. 2b shows the position in which the piston and the displacement are closest to each other, so the smallest cold space is present; in Fig. 2c the displacer is in its highest position and in Fig. 2d the distance between the displacer and the piston is maximal, so the cold space is also maximally large.

Der Phasenunterschied zwischen der Kolbenbewegung und der Verdrängerbewegung ist aus den Fig. 2a und 2 c leicht ersichtlich: der zwischen der Kurbell age der Fig.2a und der Kurbellage der Fig.2c eingeschlossene Winkel kennzeichnet diesen Phasenunterschied.The phase difference between the piston movement and the displacement movement can be easily seen from FIGS. 2a and 2c: between the crank age of the Fig.2a and the crank position of Fig.2c included angles characterize this Phase difference.

Aus den Figuren ist auch ersichtlich, wenn am Ende der Verdrängerstange z. B. eine Querstange senkrecht zu dieser Verdrängerstange befestigt wird, und die Verdrängertriebstangen symmetrisch beiderseits der Verdrängerstange drehbar mit dieser Querstange verbunden -werden, der Phasenunterschied geändert wird; er wird nämlich kleiner in dem Maße wie der Abstand zwischen dem Verdrängertriebstangenkopf und der Verdrängerstange größer wird. Wenn dieser Abstand kontinuierlich einstellbar ist, ergibt sich dadurch eine Leistungsregelung des Motors.From the figures it can also be seen when at the end of the displacer rod z. B. a cross rod is attached perpendicular to this displacer rod, and the Displacement drive rods can be rotated symmetrically on both sides of the displacement rod connected to this crossbar, the phase difference is changed; he will namely smaller in proportion to the distance between the displacer drive rod head and the displacer rod becomes larger. If this distance is continuously adjustable is, this results in a power control of the motor.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, drehen sich die Wellen 32 gleichphasig, synchron und in entgegengesetzten Drehrichtungen, wobei die durch die Mittellinie dieser Wellen gehende Ebene rechtwinkelig zur Mittellinie der Maschine verläuft. Außerdem sind die Mittellinien der Wellen 32 parallel zueinander. Wenn die Gegengewichte 35 das richtige Gewicht haben, kann .eine praktisch vollständige Ausbalancierung der Maschine erzielt werden, so daß die Maschine schwingungsfrei ist.As can be seen from the drawing, the shafts 32 rotate in phase, synchronously and in opposite directions of rotation, the plane passing through the center line of these shafts being perpendicular to the center line of the machine. In addition, the center lines of the shafts 32 are parallel to each other. If the counterweights 35 have the correct weight, a practically complete balancing of the machine can be achieved, so that the machine is vibration-free.

Die mechanische Energie kann vorteilhaft von der Maschine über beide Wellen abgeführt werden, so daß die Belastung der beiden Wellen und der mit ihnen zusammenwirkenden Teile dieselbe ist. Bei Anwendung der Maschine als Kühlmaschine wird die mechanische Energie vorzugsweise auch über beide Wellen zugeführt werden.The mechanical energy can be beneficial from the machine over both Waves are carried away, so that the load on the two waves and the one with them cooperating parts is the same. When using the machine as a cooling machine the mechanical energy is preferably also supplied via both shafts.

Es ist selbstverständlich möglich, eine Anzahl der .geschilderten Maschinen hintereinander anzuordnen, so daß eine Mehrzylinder-Maschine erhalten wird, die vollständig schwingungsfrei ist, da jede Einheit nahezu vollkommen ausbalanciert ist.It is of course possible to include a number of the Arrange machines one behind the other, so that a multi-cylinder machine is obtained that is completely vibration-free, as each unit is almost completely balanced is.

Claims

PATENT CLAIMS; 1. Hot gas piston machine, in which the piston and displacer are coaxially to each other and execute a mutually phase-shifted stroke movement, characterized in that the piston and displacer in a known manner with a crank each of two parallel, rotating at the same angular speed in the opposite direction of rotation, symmetrical to the cylinder axis lying crankshafts are connected by rods whose points of the piston and the displacer, based are shifted to the cylinder axis laterally offset from the center line of the associated crankshaft, and in that a respective rod of the piston and the displacer at the same crank pin engages each crankshaft, wherein the one Drive rod set (22) is on one side of a plane to be laid through the crank pin and the other drive rod set (29) is on the other side of this plane. 2. Hot gas piston machine according to claim 1, characterized in that the piston rods have almost the same length as the displacement rods, and that the masses of the piston rods with the reciprocating parts associated with them are almost the same size as the masses of the displacement rods with the connected, floating parts. 3. Hot gas piston machine according to claim 1 or 2, characterized in that the piston drive rods are articulated on the piston side with one another and with a piston rod firmly connected to the piston. 4. Hot gas piston machine according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the ends of the displacer rods facing away from the cranks are connected to the displacer rod in such a way that the distance between the ends on the displacer rod is adjustable, but both displacer rods are symmetrical stay on the displacer rod. 5. Hot gas piston machine according to one of the preceding claims, characterized in that the crankshafts are coupled to one another by gears. 6. Hot gas piston machine according to one of the preceding claims, characterized in that the mechanical energy is supplied to the machine through the two crankshafts or removed from the machine. Documents considered: German Patent No. 486 734; USA. Pat. No. 2,616,247.